Водовозов В.М, Водовозов A.M. Введение в вычислительную технику и компьютерные технологии: Учебное пособие.-

Подождите немного. Документ загружается.

программ. Однако тем же Э.Ф. Коддом был предложен метод динамической

аналитической обработки OLAP (On-Line Analitical Processing), который ускоряет

решение указанных задач. Он предполагает многомерное концептуальное

представление данных и их прозрачность для пользователя, доступность и высокую

производительность в работе. Перспективна и гибридная объектно-реляционная

модель, сочетающая способность реляционных баз данных эффективно выполнять

обработку небольших объемов информации с возможностями объектно-

ориентированных баз данных поддерживать динамические методы обработки.

Нормализация данных

Преобразование концептуального представления объектов реального мира в

программную реляционную модель называется

нормализацией

модели данных.

Именно в процессе нормализации данные группируются в таблицы, а таблицы - в

базу данных.

Рассмотрим нормализацию на примере.

Пусть требуется описать некоторое множество экспонатов, размещаемых на

выставочных стендах различными фирмами. В качестве концептуальной модели

экспонатов может выступать план выставки, на котором показано размещение

стендов, или ее каталог, представляющий участников. Это может быть рекламный

проспект, рассказывающий об экспонатах, либо картотека стран-участниц.

Стенд Экспонат Страна

100 Компьютеры США

200 Программы США

300 Программы Россия

Но если говорить о программной реализации реляционной модели

выставки, то она должна иметь структуру таблицы с уникальными полями и

упорядоченными записями, например, такую:

ID Стенд Экспонат Страна

1 100 Компьютеры США

2 100 Компьютеры США

3 200 Программы США

4 300 Программы Россия

Когда записи в таблице повторяются, возникают проблемы, связанные с

их поиском и систематизацией сведений. Для их разрешения в тех случаях, когда

исходная комбинация полей не обеспечивает уникальности записей, в таблицу

вводят дополнительное поле

идентификатора записи

(ID) типа счетчика с

неповторяющимися значениями:

Поле или группа полей таблицы, содержащая данные, однозначно

идентифицирующие каждую запись, называется

ключом

, или

первичным кл ючом

Благодаря уникальности ключа, в таблице исключается пересечение записей.

Именно ключ в первую очередь определяет порядок представления записей

пользователю. Он же регулирует расположение, поиск и обработку данных. Так, в

первой из таблиц роль ключа может играть поле

Стенд

, а во второй - поле

. Для

ускорения обработки данных часто используют

вторичные ключи,

или

индексы

Ключ, занимающий одно поле, называют

простым ключом

. Ключ, образованный

группой полей, именуют

составным ключом

. Поля составного ключа называют

частичными (усеченными) ключами

. Например, в следующей таблице в качестве

составного ключа целесообразно принять группу полей

Стенд - Экспонат:

Стенд Экспонат Площадь Участник Должность Оклад Фирма Страна

100 Компьютеры 50 Лунин Дилер 2000 IBM США

100 Станции 100 Смирнов Дилер 2000 IBM США

200 Программы 25 Иванова Дилер 2000 IBM США

300 Дисплеи 40 Петров Продавец 1500 Acer Тайвань

400 Программы 25 Степанов Продавец 1500 Scan Россия

400 Дисплеи 40 Скворцов Продавец 1500 Scan Россия

Пусть в таблице с полями

i, j, k,...

имеются записи

A1{a

, a

}, A2{a

, a

}

такие, что

-е и

-е элементы их связаны между собой однозначной

зависимостью

→

f(a

), a

→

f(a

),...

В этом случае говорят, что между

соответствующими полями таблицы определена зависимость “один к одному” (1:1).

В частности, в зависимости 1 :1 находятся поля

Экспонат

Площадь

Должность

Оклад, Фирма

Страна.

Наряду с этим, между полями может существовать

зависимость “один ко многим”

→

f(a

), a

→

f(a

),...

(например, поля

Должность - Участник

находятся в отношении 1:2), “много к одному”

→

f(a

→

f(a

),...

(например, ряд записей в полях

Участник - Стенд

находится в

отношении 2:1), “много ко многим”

→

f(a

), a

→

f(a

), a

→

f(a

),...

(например,

Стенд - Экспонат

Всякое неключевое поле таблицы находится в определенной

функциональной зависимости от ключевых полей. Отношение полей называется

полной функциональной зависимостью

, если содержимое неключевого поля зависит

от всего составного ключа. В противном случае речь идет о частичной

функциональной зависимости. Если поля

i, j,

связаны между собой по схеме

f(a

), a

= f(a

но обратная зависимость отсутствует, то говорят, что

зависит от

транзитивно

. В частности, поле

Фирма

находится в полной функциональной

зависимости от составного ключа

Стенд - Экспонат,

а поле

Страна

находится в

транзитивной зависимости от этого ключа, будучи связанным с ним через поле

Фирма.

Поле

Участник

находится в частичной функциональной зависимости от

поля

Стенд

составного ключа, так же, как и поле

Должность.

Но последнее

связано с ним транзитивно через поле

Участник.

Поле

Площадь

зависит только от

частичного ключа

Экспонат

Частичная функциональная зависимость вызывает ряд проблем. Это

дублирование данных, которые могут представлять сразу несколько экспонатов.

Это и невозможность включения в таблицу участников, не имеющих экспонатов.

Или наоборот - необходимость исключения экспонатов в случае отъезда

участников. Наличие многозначности усложняет поиск данных и их обработку.

Поэтому при проектировании структуры базы данных стремятся к устранению

нежелательных функциональных зависимостей между полями и ликвидации

дублирования данных посредством нормализации.

Нормализация

представляет

пошаговый обратимый процесс декомпозиции, или разложения, исходной таблицы

на другие, более мелкие и простые таблицы. Аппарат нормализации базируется на

понятии

нормальных форм

, каждая из которых по-своему ограничивает типы

допустимых функциональных зависимостей.

Первой нормальной формой

(1НФ) называется реляционная модель

данных, значения элементов которой атомарны, все записи отвечают одной и той

же структуре и все записи у никальны (нет одинаковых ключей). Рассмотренная

выше таблица относится к 1НФ.

Стенд Экспонат Участник Должность Оклад

100 Компьютеры Лунин Дилер 2000

100 Станции Смирнов Дилер 2000

200 Программы Иванова Дилер 2000

300 Дисплеи Петров Продавец 1500

400 Программы Степанов Продавец 1500

400 Дисплеи Скворцов Продавец 1500

Посредством нормализации данную модель можно преобразовать ко

второй

нормальной форме

(2НФ). Таблица принадлежит к 2НФ, если в ней отсутствуют

частичные функциональные зависимости от полей составного ключа, то есть

каждое ее неключевое поле полностью зависит от всего составного ключа. Так,

неключевые поля

Участник, Должность, Оклад

таблицы полностью зависят от

первичного ключа

Стенд - Экспонат

Стенд Площадь Экспонат Фирма Страна

100 50 Компьютеры IBM США

100 100 Станции IBM США

200 25 Программы IBM США

300 40 Дисплеи Acer Тайвань

400 25 Программы Scan Россия

400 40 Дисплеи Scan Россия

В то же время, в оставшейся таблице не удается избавиться от частичных

функциональных зависимостей:

Площадь

определяется только полем

Экспонат

, а

поля

Фирма, Страна

- только полем

Стенд.

Кроме того, в обеих таблицах по-

прежнему присутствуют отмеченные ранее транзитивные зависимости.

Третья нормальная форма

(3НФ) основана на отсутствии транзитивных

зависимостей. Дальнейшая нормализация приводит к шести таблицам в 3НФ:

Стенд Экспонат Участник

100 Компьютеры Лунин

100 Станции Смирнов

200 Программы Иванова

300 Дисплеи Петров

400 Программы Степанов

400 Дисплеи Скворцов

Участник Должность

Лунин Дилер

Смирнов Дилер

Иванова Дилер

Петров Продавец

Степанов Продавец

Стенд Фирма

100 IBM

200 IBM

300 Acer

400 Scan

Экспонат Площадь

Компьютеры 50

Станции 100

Программы 25

Дисплеи 40

Фирма Страна

IBM США

Acer Тайвань

Scan Россия

Должность Оклад

Дилер 2000

Продавец 1500

Возможно и дальнейшее упрощение связей. Нормализация ув еличивает

число таблиц в базе данных, но часто способствует ускорению доступа к данным и

обновления таблиц.

4.2.3. Реляционное исчисление

Все существующие на свете понятия могут

быть разложены на небольшое число простых

понятий, являющихся как бы их алфавитом, и

посредством правильного метода из комбинаций букв

такого алфавита вновь со временем можно воссоздать

связные исходные понятия.

В. Лейбниц

Реляционное исчисление – это математический аппарат для обработки

таблиц. Наиболее просто с помощью реляционного исчисления реализуется

операция

выборки,

то есть выбора записей, удовлетворяющих поставленному

условию. Например, результат выборки из первой таблицы по критерию

Год >

1950

, показан во второй таблице.

Фирма Год Президент

IBM 1911 Герстнер

Intel 1967 Гроув

Microsoft 1975 Балмер

Фирма Год Президент

Intel 1967 Гроув

Microsoft 1975 Балмер

Любую таблицу можно спроецировать на некоторые свои поля.

Проекция

включает требуемую часть полей исходной таблицы без записей-дубликатов, как

это следует из следующего примера, в котором во вторую таблицу спроецированы

поля

Фирма

Президент

из первой таблицы.

Программа Фирма Президент

Таблицы IBM Герстнер

Таблицы Intel Гроув

Редакторы IBM Герстнер

Редакторы Apple Джобс

Фирма Президент

IBM Герстнер

Intel Гроув

Apple Джобс

Рассмотрим, далее, операции на множествах записей. Пусть база данных

содержит две таблицы с одной структурой. Первая из них описывает множество

, а

вторая -

Фирма Год Президент

Microsoft 1975 Балмер

Apple 1975 Джобс

IBM 1911 Герстнер

Intel 1967 Гроув

Microsoft 1975 Балмер

Результаты операций на множествах -

B, A

- приведены в

следующих таблицах.

Фирма Год Президент

IBM 1911 Герстнер

Intel 1967 Гроув

Microsoft 1975 Балмер

Apple 1975 Джобс

Фирма Год Президент

Apple 1975 Джобс

IBM 1911 Герстнер

Intel 1967 Гроув

Теперь обратимся к операциям, над таблицами с разными структурами.

При

соединении

в суммарном отношении объединяются все поля таблиц-

слагаемых. Одно из полей, общее для них, выбирается в качестве ключевого. При

отсутствии общего поля соединение невозможно, а в случае отсутствия идентичных

элементов в полях соединенных таблиц, назначенных ключевыми, в итоге

соединения образуется таблица нулевого размера. Ниже показаны две новых

таблицы и результат их соединения.

Фирма Президент

Microsoft Балмер

Apple Джобс

IBM Герстнер

Фирма Президент Год

IBM Герстнер 1911

Microsoft Балмер 1975

Фирма Год

IBM 1911

Intel 1967

Microsoft 1975

Декартово

произведение

двух таблиц представляет собой новую таблицу,

число полей которой равна сумме полей таблиц-множителей, а число записей –

произведению их записей (см. следующие три таблицы).

Фирма Президент

IBM Герстнер

Microsoft Балмер

Apple Джобс

Программа

Таблицы

Редакторы

Программа Фирма Президент

Таблицы IBM Герстнер

Таблицы Microsoft Балмер

Таблицы Apple Джо бс

Редакторы IBM Герстнер

Редакторы Microsoft Балмер

Редакторы Apple Джобс

Деление

таблиц возможно в том случае, если среди полей делимого есть

поля делителя. Частное содержит только те поля делимого, которых нет в делителе,

и только те записи, декартовы произведения которых с делителем содержатся в

делимом. Например, деление отношений, приведенных в следующих двух

таблицах, дает третью таблицу.

Программа Фирма Президент

Таблицы Motorola Фишер

Таблицы Intel Гроув

Редакторы IBM Герстнер

Редакторы Apple Джобс

Программа

Таблицы

Утилиты

Драйверы

Фирма Президент

Motorola Фишер

Intel Гроув

4.3 СУБД

4.3.1. Управление данными

Порядок и формы

нужны для успешного

действия.

С. Трубецкой

СУБД поддерживает две категории субъектов информационного процесса -

программистов и пользователей. В отличие от ранее рассмотренных офисных

систем, она предусматривает четкое разделение функций этих участников

информационного процесса: первые первичны, а вторые реализуют лишь

предоставленные им возможности в рамках полу ченных прав доступа к данным.

Будучи инструментом пользователя, СУБД обеспечивает:

o поддержание данных в актуальном состоянии - их добавление, удаление,

изменение, выборку, отображение;

o документирование информации;

o систематизацию и оперативный поиск данных и имеющихся в них

сведений.

Все три гр уппы задач решаются в рамках заранее заданной программистом

модели данных.

Задачи актуализации базируются на концепции экранных форм. Форма - это

экранное представление записей базы данных в удобном для пользователя порядке

следования элементов с выделением необходимых атрибутов и скрытием

несущественных деталей. Через форму можно вводить данные в базу и

редактировать их.

Основным инструментом документирования информации в СУБД служит

отчет. Отчеты представляют собой электронные документы, раскрывающие

содержание заданных фрагментов базы данных в виде, готовом к выводу в печать.

Систематизация и поиск данных проводятся через копии фрагментов базы.

Для этого либо осуществляется фильтрация записей, либо выполняется обращение

к базе данных с запросом. Запросы к реляционным базам данных формируются на

языках реляционного исчисления, основанных на классических операциях на

множествах (объединение, пересечение, дополнение, разность) и исчислении

предикатов (проекция, выбор). Язык запросов предоставляет пользователю набор

правил или инструмент для формирования вопроса с информацией о желаемом

результате. На основании запроса СУБД автоматически выдает ответ посредством

генерации новых таблиц, но уже не на носителе, а в памяти компьютера. Язык

запросов может быть самостоятельным (автономным) или погруженным в один из

универсальных распространенных языков программирования (Си, Паскаль,

Фортран и т.п.), называемый в этом случае включающим языком.

Статусом стандартного языка управления базами данных обладает сегодня

реляционный структурированный процедурный язык SQL (Structured Query

Language), разработанный фирмой IBM. В 1986 г. он был принят в качестве

стандарта ANSI. Другими стандартами для SQL являются SAG (SQL

Access

Group),

ISO (International Standard Organisation), X/OPEN (Группа стандартов для Unix) и

собственно SQL, утвержденный как стандарт IBM System Application Architecture.

SQL стандарта ANSI решает различные задачи. Он позволяет выполнять описание

данных, запросы, манипулирование ими, управление указателями и транзакциями,

администрирование. Команды SQL могут непосредственно вызываться,

встраиваться в программные модули и в СУБД. Язык имеет шесть категорий

лексем: операторы (в ANSI

SQL присутствует порядка 100 операторов для

построения операций), предложения (для указания диапазонов значений),

модификаторы (для уточнения действий операторов), знаки операций, функции и

прочие слова.

Весьма популярен и непроцедурный язык запросов на примере QBE (Query

By Example), созданный М. Злуфом в фирме IBM в 1977 г.

Будучи инструментом программиста, СУБД является средой для

проектирования баз данных, проводимого обычно в несколько этапов:

o определение сущностей - источников данных и выявление связей между

ними;

o определение атрибутов сущностей и их поведения;

o определение пользователей и разграничение их прав доступа;

o создание словаря данных;

o разработка представлений данных на экране и носителях информации;

o разработка механизмов поиска и систематизации сведений;

o документирование информации.

Как инструмент проектирования информационных систем, СУБД

поддерживает все три известных нам уровня представления данных:

концептуальный, логический и физический. Первый определяет структуру базы

данных в терминах объектов предметной области и отношений между ними.

Второй уровень описывает связи между данными на языке математической логики

и алгоритмических языках, а третий управляет обменом и размещением данных на

внешних носителях. Для этого СУБД оснащается средствами создания и анализа

структуры базы данных с механизмами обработки таблиц и в наиболее полном

варианте содержит:

o язык программирования прикладных задач обработки данных;

o среду программирования, дающую возможность непосредственного

управления данными;